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Detecting and quantifying biomolecules is an important tool in biological research. Ideal dyes have to have a number of characteristics i.e. low toxicity and limited autofluorescence. The properties of near infrared dyes make these ideal for cell and tissue imaging. The work within this thesis focuses on the development of three families of NIR dyes (linear, rigid and substituted polymethine) and these are actively compared against the clinical standard Indocyanine Green (ICG) and its structural derivative New Indocyanine Green (IR-820). The ultimate aim being to identify dyes which can be used alongside the clinical standards. The compounds developed within this thesis are structurally based on the NIR heptamethine cyanine (Cy7) dyes. To expand, variations fall into three categories, linear, rigid and polymethine substituted, each being synthesised using either existing methodology or through the development of a novel cascade reaction. The photophysical properties of each dye have been evaluated experimentally, focusing on absorption and emission wavelengths, fluorescence quantum yields and Stokes shifts. It is noted that most dyes synthesised within this thesis, show comparable Stokes shift but increased fluorescence quantum yields when compared against ICG and IR-820. All dyes absorb and emit within the NIR region based on excitation at 785 nm. The growth inhibition characteristic is an important criterion which determines the practical use of the dyes in living cells. Most of the dyes which showed no growth inhibition were the dyes bearing the sulfonic acid group, suggesting the sulfonic acid limited cellular uptake as a result of decreased membrane permeability. Dyes possessing growth inhibitory characteristics all contain linear N-alkyl moieties. It is thus postulated that the increased lipophilicity of these molecules result in increased lipid distortion and subsequent toxicity.

La gestión adecuada de los residuos radiactivos de elevada actividad es uno de los desafíos más complejos en nuestra sociedad industrializada y que suscita gran polémica social. La cantidad de residuos radiactivos producidos ha aumentado considerablemente debido principalmente a la creciente utilización de las centrales nucleares en la generación de energía eléctrica. El almacenamiento en formaciones geológicas contacto, la concentración de radionucleido en disolución y el pH. Los resultados muestran que la formación de esta fase secundaria sobre la superficie del CNG podría representar uno de los principales procesos de retención de radionucleidos. Por otra parte, la estabilidad de estas fases minerales se verá directamente afectada por dos de los variables más críticas en el campo próximo de un AGP que son la radiación y la temperatura. Los efectos a nivel atómico de la radiación ionizante sobre la estructura de los silicatos de U(VI): soddyíta (UO2)2(SiO4)(H2O)2 y uranofana Ca(UO2)2(SiO3OH)2·5H2O, se han investigado utilizando la técnica de microscopía electrónica de transmisión (TEM), permitiendo la observación in situ de los procesos de amorfización/nanocristalización de estas fases. Los estudios térmicos llevados a cabo mediante termogravimetría (TG) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) combinado con la caracterización por difracción de rayos X (XRD) han permitido evidenciar la importancia de los procesos de deshidratación en la integridad estructural de cada fase. Finalmente, se ha estudiado la cinética de la reacción entre el peróxido de hidrógeno y el hidrógeno a temperatura ambiente y en ausencia de productos catalíticos. El seguimiento de la reacción se ha realizado a partir de la disminución de la concentración de peróxido de hidrógeno en disolución con el tiempo, observándose un aumento en la velocidad de reacción a medida que la presión de hidrógeno aumenta. Estos resultados indican que el hidrógeno podría actuar como inhibidor de la disolución de la matriz de CNG consumiendo la principal especie responsable del proceso de alteración oxidativa. profundas (AGP) se presenta como la opción más viable y definitiva para estos residuos. Para garantizar la seguridad del repositorio es necesario desarrollar modelos que predigan el comportamiento del combustible nuclear gastado (CNG) a largo plazo, así como la liberación y migración de radionucleidos (RN) al medio ambiente. La alteración del CNG dependerá de una serie de procesos que tienen lugar una vez el agua subterránea entre en contacto con la superficie del combustible como son, la formación de productos radiolíticos, su efecto en la oxidación de la matriz de UO2 y posterior disolución, y por último la precipitación de fases secundarias. El estudio de estas fases como productos finales del proceso de disolución oxidativa de la matriz es de gran interés ya que pueden afectar a la movilización de actínidos y productos de fisión, y al comportamiento a largo plazo del propio combustible. A parte de estos procesos, también hay que considerar la corrosión anóxica de la cápsula de acero que generará una gran cantidad de hidrógeno que puede influir en la disolución del CNG. Con el objetivo de profundizar en algunos aspectos relacionados con los productos radiolíticos y fases secundarias en el entorno más cercano al residuo, el denominado campo próximo de un AGP, en esta tesis se han desarrollado una serie de estudios que se resumen a continuación. En la primera parte, se ha estudiado la influencia de los productos radiolíticos: hipoclorito, clorito y clorato en la velocidad de disolución del UO2 como análogo a la matriz de CNG. Las velocidades de disolución obtenidas en el caso del hipoclorito, siguiendo la misma metodología experimental, resultaron ser más elevadas que las velocidades obtenidas en presencia de los principales oxidantes, como el oxígeno o el peroxido de hidrógeno. Una segunda parte se ha centrado en aumentar el conocimiento de las fases secundarias de U(VI) más representativas del proceso de alteración oxidativa del CNG. Concretamente, se ha estudiado la adsorción de cesio y estroncio sobre el peroxido de uranilo, studtita (UO2O2 4H2O), en función de distintos parámetros como el tiempo de / La gestió adequada dels residus radioactius d’elevada activitat és un dels desafiaments més complexos en la nostra societat industrialitzada i que suscita gran polèmica social. La quantitat de residus radioactius produïts ha augmentat considerablement degut principalment a la creixent utilització de les centrals nuclears en la generació d’energía eléctrica. L’ emmagatzematge en formacions geològiques profundes (MGP) es presenta com a opció més viable i definitiva per aquests residus. Per tal de garantir la seguretat del repositori es necessari desenvolupar models que prediguin el comportament del combustible nuclear gastat (CNG) a llarg termini, així com l’alliberament i migració de radionúclids (RN) al medi ambient. L’alteració del CNG dependrà d’una sèrie de processos que tenen lloc un cop l’aigua subterrània entri en contacte amb la superfície del combustible como son, la formació de productes radiolítics, el seu efecte en l’oxidació de la matriu de UO2 i posterior dissolució, i por últim la precipitació de fases secundàries. L’estudi d’aquestes fases com a productes finals del procés de dissolució oxidativa de la matriu es de gran interès ja que poden afectar a la mobilització d’actínids i productes de fissió, i al comportament a llarg termini del propi combustible. A part d’aquests processos també s’ha de considerar la corrosió anòxica de la càpsula d’acer, la qual generarà una gran quantitat d’hidrogen que pot influir en la dissolució del CNG. Amb l’objectiu de profunditzar en alguns aspectes relacionats amb els productes radiolítics i fases secundàries en l’entorn més proper al residu, l’anomenat camp pròxim d’un MGP , en aquesta tesis s’han desenvolupat una sèrie d’estudis que es resumeixen a continuació. En la primera part, s’ha estudiat la influencia dels productes radiolíticos: hipoclorit, clorit i clorat en la velocitat de dissolució del UO2 como anàleg a la matriu de CNG. Les velocitats de dissolució obtingudes en el cas del hipoclorit, seguint la mateixa metodologia experimental, varen resultar ser més elevades que les velocitats obtingudes en presencia dels principals oxidants, como l’oxigen o el peròxid de hidrogen. Una segona part s’ha centrat en augmentar el coneixement de fases secundàries de U(VI) més representatives del procés d’alteració oxidativa del CNG. Concretament, s’han estudiat l’adsorció de cesi i estronci sobre el peròxid d’uranil, studtita (UO2O2 4H2O), en funció de diferents paràmetres com son el temps de contacte, la concentració de radionúclid en dissolució i el pH. Els resultats mostren que la formació d’aquesta fase sobre la superfície del CNG podria representar un dels principals processos de retenció de radionúclids. Per altre banda, l’estabilitat d’aquestes fases minerals es veurà directament afectada per dues de les variables més crítiques en el camp pròxim d’un (MGP) que son la radiació i la temperatura. Els efectes a nivell atòmic de la radiació ionitzant sobre l’estructura dels silicats de U(VI): soddyíta (UO2)2(SiO4)(H2O)2 i uranofana Ca(UO2)2(SiO3OH)2·5H2O, s’han investigat utilitzant la tècnica de microscopía electrònica de transmissió (TEM), que permet l’observació in situ dels processos d’amorfització/nanocristalizació d’aquestes fases. Els estudis tèrmics s’han realitzat mitjançant les tècniques de termogravimetria (TG) i calorimetria diferencial d’escombrat (DSC) combinat amb la caracterització per difracció de raigs X (XRD) que han permès evidenciar la importància dels processos de deshidratació en la integritat estructural de cada fase. Finalment, s’ha estudiat la cinètica de la reacció entre el peròxid de hidrogen i el hidrogen a temperatura ambient i en absència de productes catalítics. El seguiment de la reacció s’ha realitzat a partir de la disminució de la concentració de peròxid de hidrogen en dissolució amb el temps. S’ha observat un augment en la velocitat de reacció a mesura que la pressió de hidrogen augmenta. Aquests resultats indiquen que el hidrogen podria actuar com a inhibidor de la dissolució de la matriu de CNG consumint la principal espècie responsable del procés d’alteració oxidativa. / Adequate management of High-activity radioactive waste is one of the most complex challenges in our industrialized society, which generates a lot of social controversy surrounding this issue. The amount of radioactive waste produced has increased considerably due, mainly, to the increased use of nuclear energy in generating electricity. Storage in deep geological formations is presented as the most viable option for a final disposal of these wastes. To ensure the safety of the repository it is necessary to develop models that predict the behavior of spent nuclear fuel (SNF) in the long-term storage, as well as the release and migration of radionuclides to the environment. The alteration of SNF under expected representative repository conditions will depend on a number of processes that take place once the groundwater come in contact with the surface of the fuel, such as the formation of radiolitic products, its effect on the matrix oxidation and subsequent dissolution, released of radionuclides contained in the fuel matrix and finally, precipitation of secondary phases. The study of these phases as end products of the oxidative dissolution process is of major interest due to the fact that they may affect the mobilization of actinides and fission products by geochemical processes such as adsorption. A part of these processes, we must also consider the anoxic corrosion of the steel capsule that will generate a large amount of hydrogen which can influence in the dissolution of SNF. In order to get deeper into some aspects of radiolytic products and secondary phases in the near-field of a High-level Nuclear Waste (HLNW) repository, in this thesis we have developed a series of studies which are summarized below. In the first part, the influence of hypochlorite, chlorite and chlorate in the dissolution rate of UO2 as a chemical analogue of the spent fuel matrix, has been studied experimentally. The dissolution rates obtained in this work are found to be higher than the rates determined in the presence of either oxygen or hydrogen peroxide obtained with same experimental methodology. A second part is focused on increasing the knowledge of the most representative secondary phases of U(VI) formed during the oxidative alteration of SNF. Specifically, the adsorption of cesium and strontium onto uranyl peroxide, studtite (UO2O2 4H2O), has been studied as a function of time, radionuclide concentration in solution and pH. The results show that this secondary solid phase formation on the SNF surface could be an important mechanism involved in the retention of radionuclides. On the other hand, the stability of these mineral phases will be directly affected by two of the most critical variables in the near-field of HLNW are radiation and temperature. Atomic-level effects of ionizing radiation on the structure of U(VI) silicates: soddyite (UO2)2(SiO4)(H2O)2 and uranophana Ca(UO2)2(SiO3OH)2·5H2O have been investigated using electron beam irradiation in a transmission electron microscope (TEM), which allows in situ observation of amorphization/nanocristallization processes of these phases. Thermal studies carried out by thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC) combined with X-ray diffraction (DRX) have demostrated the importance of dehydration processes in the structural integrity for each phase. Finally, the reaction between aqueous hydrogen peroxide solutions and hydrogen has been studied at room temperature and in the absence of catalytic products. The reaction evolution has been determined by the decrease of hydrogen peroxide concentration with time. A clear effect has been observed, and the rate of reaction is found to be enhanced as the hydrogen pressure is increased. These results indicate that hydrogen could act as an inhibitor of spent fuel matrix dissolution through the consumption of the main species responsible for the oxidative alteration process.

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El interés analítico que la quimioluminiscencia en fase líquida ha despertado en las dos ultimas décadas y la falta de predicciones teóricas seguras sobre si un sistema va o no a tener un comportamiento quimioluminiscente, hace necesario la búsqueda de nuevos métodos o estrategias que sean capaces de predecir esta actividad. En la presente tesis doctoral se aplica un método de predicción teórico basado en la topología molecular, como la conectividad molecular, para predecir el comportamiento quimioluminiscente de un grupo de fenoles y polifenoles cuando reaccionan con oxidantes fuertes en fase líquida.La validez de las predicciones teóricas se complementa con un barrido experimental en un sistema en flujo continuo con diversos oxidantes, para estudiar la posibilidad de obtener una señal quimioluminiscente a partir del producto de una reacción de oxidación. Tras una etapa de revisión bibliográfica de entre los compuestos ensayados, se seleccionan el fenol, ácido tánico y la hidroquinona, con el objeto de desarrollar nuevos sistemas por quimioluminiscencia directa para su determinación, empleando métodos de análisis en flujo, como el FIA y la Multiconmutación, que permite miniaturizar los montajes en flujo, mejorar la reproducibilidad, diminuir el consumo de muestras y reactivos, además de conseguir sistemas en flujo mucho más versátiles, debido al mayor control de los perfiles de dispersión.La aplicación analítica de los métodos descritos en esta memoria se centra en la determinación de ácido tánico e hidroquinona en formulaciones farmacéuticas y del fenol en muestras de interés medioambiental, como el agua, ya que las disposiciones legales en cuanto a la calidad de los productos farmacéuticos y de las aguas son cada vez más estrictas.Destacar que en el montaje para la determinación de fenol en agua, se incorpora un reactor en fase sólida relleno con resina Amberlite XAD-4 para la separación-preconcentración del analito, lo que permite mejorar la sensibilidad, la selectividad y el límite de detección del método propuesto.Los métodos quimioluminiscentes desarrollados en la memoria emplean permanganato potásico en medio ácido sulfúrico o perclórico como oxidante para la obtención de la señal quimioluminiscente. Esta quimioluminiscencia se exalta con diferentes agentes químicos y/o físicos, concretamente ácido fórmico y una temperatura de 80ºC en la determinación de fenol; sulfato de quinina y una temperatura de 60ºC en el ácido tánico; sulfato de quinina, el tensoactivo catiónico cloruro de benzalconio y una temperatura de 60ºC para la determinación de hidroquinona.Las características analíticas de las determinaciones de fenol, ácido tánico e hidroquinona fueron, respectivamente y por este orden: repetitividad 7.30 %, 2.10 %, 1.98 %; frecuencia de inserción 4, 56, 103 muestras por hora; intervalo de linealidad comprendido entre 1.0 y 20.0 ppb, 0.5-20.0 ppm, 0.1 y 15.0 ppm; límite de detección de 1.0 ppb, 100.0 ppb, 30.0 ppb; reproducibilidad entre días 9.50 %, 4.40 %, 2.88 %; y robustez química 4.6 % y 4.3 % para el ácido tánico y la hidroquinona.Para finalizar, comentar que los tres métodos analíticos se aplican satisfactoriamente al análisis de distintas muestras reales, debido a la gran selectividad de los mismos, que queda confirmada con la elevada cantidad de sustancias ensayadas que no interfieren en la determinación de los analitos.

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The aim of this research was the development of a novel microbial biosensor system based on the cellular rRNA contents of bacteria. This would be used for the assessment of cadmium toxicity and bioavailability to bacteria, and compared with the more widely used <I>lux</I>-based microbial biosensors. Experimentation was carried out to develop an efficient and reproducible protocol for the extraction and quantification of bacterial rRNA. This enabled the determination of cellular rRNA contents during growth of <I>Pseudomonas fluorescens</I>. The bacteria were then grown in cadmium supplemented medium to determine if any change in growth rate imposed by the presence of the metal was reflected by a change in cellular rRNA levels. It was found that in bacteria exposed to cadmium, an increase in rRNA content in comparison to control cells was observed. If this change in rRNA content and could be shown to be dose responsive, with respect to cadmium concentration, this could prove useful for the assessment of bacterial metabolic activity in response to heavy metals. <I>In situ</I> hybridization cellular rRNA and quantification using confocal microscopy were also carried out within these experimental systems. The toxicity of cadmium on bacterial metabolic activity was then assessed by the use of <I>Escherichia coli </I>and <I>P. fluorescens lux</I>-marked biosensors. EC<SUB>50</SUB> values for cadmium were determined for each of the bacterial species. In order to determine how the bioavailability of a metal effects its toxicity, an experiment was carried out in which the toxicity of cadmium to <I>lux</I>-marked <I>E. coli</I> and <I>P. fluorescens</I> was assessed in the presence of environmentally relevant concentrations of sulphate. The speciation of cadmium within each experimental system was predicted using computer program, GEOCHEM. It was shown that increasing concentrations of sulphate effectively reduced the toxicity of cadmium to the bacteria and that this was due to a reduction in the concentration of free cadmium ions within the experimental systems. It was found that using the techniques employed within this project, cellular rRNA content was of little use for the further development of a bioassay system for the assessment of bacterial metabolic activity in response to cadmium. <I>Lux</I>-marked microbial biosensors did, however, appear to give a reliable assessment of bacterial metabolic activity in response to the heavy metal, and also allowed the toxicity of cadmium in the presence of other inorganic ions to be determined.

Silica gels prepared by different methods have been found to give varied types of sorption isothermals, indicating a wide variation in pore size and distribution. The factors determining this variation have been investigated and in an attempt to alter the shape of the isothermals, several different gels were treated with various water-repellents and fatty acids. The sorption of water on these treated gels was found to be specific. Finally, the hysteresis loops of several gel systems have been scanned and the results have been explained on the basis of the open-pore theory. Defects have bean pointed out in both the ink-bottle theory as represented by Katz, and Cohan's version of the open-pore theory.

Electrophoretic separations have been demonstrated for over a century resulting in methods being devised to separate a variety of compounds, mainly of biological origin. Only in the past twenty-five years has capillary electrophoresis (CE) emerged as a viable technique, with a variety of different separation methods being reported. One draw back of CE is its inability to separate neutral compounds, hence alternative methods have been developed to facilitate this. This study investigated Capillary Electrochromatography (CEC), one of the techniques that can be used to separate neutral compounds, in which a capillary column is packed with a stationary phase designed for liquid chromatography. Separation is determined by interactions between the solutes and the stationary phase, with the flow being driven by electroosmosis. Initial work involved the development of an in-house packing method for CEC columns. The method developed, which was a pressure driven system using a Shandon HPLC packer, proved to be successful. The reliability of the retaining frit and the nature of the packing material were major factors in column performance. Once the column fabrication process had been developed, the experimental conditions for CEC in the Prince Technology CE instrument were optimised. The results showed that in many respects the system responded as a traditional LC system would, with changes in buffer compositions, stationary phase and, in this case, EOF etc. all producing definite and reproducible changes in the separation of the test mixture. Variations in sample loading technique were investigated and a simple method developed to improve the peak efficiencies and resolution of analytes, by focussing them on the head of the column. Once the experimental conditions were established, a series of applications were undertaken with differing results. The applications included studies of a series of polyaromatic Hydrocarbons (PAH), a test mixture of small molecules, with different polarities, prostaglandins and nicotine metabolites. Separation of the PAH and test mixtures were successful and corroborated some of the observations made while studying the experimental conditions for CEC. Separation of the prostaglandin mixture was unsuccessful; this was not totally unexpected due to the similarity in their structures. Study of the nicotine metabolites allowed a comparison of CZE with CEC, however due to limited availability sample the work was not fully completed. Despite this, the study did indicate that both methods showed promise, but required further development.

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